KR102650098B1 - Array-based free-space optical communication links - Google Patents

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KR102650098B1
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아날로그 포토닉스, 엘엘씨
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Abstract

원격 노드와의 광학 통신은 적어도 하나의 광학 빔을 원격 노드로 송신하는 것; 원격 노드로부터 적어도 하나의 광학 빔의 적어도 일부분을 수신하는 것; 원격 노드로부터 수신된 광학 빔의 일부분을 검출하는 광학 검출기 모듈들의 어레이 내의 하나 이상의 광학 검출기 모듈로부터의 하나 이상의 신호에 기초하여 강도 정보를 제공하는 것; 및 원격 노드로부터 수신된 강도 정보에 기초하여 원격 노드로 송신된 광학 빔을 스티어링하도록 적어도 하나의 광학 위상 어레이를 제어하는 것을 포함한다.Optical communication with a remote node includes transmitting at least one optical beam to the remote node; receiving at least a portion of at least one optical beam from a remote node; providing intensity information based on one or more signals from one or more optical detector modules in an array of optical detector modules that detect a portion of an optical beam received from a remote node; and controlling at least one optical phased array to steer an optical beam transmitted to the remote node based on intensity information received from the remote node.

Figure R1020227015860
Figure R1020227015860

Description

어레이-기반 자유-공간 광학 통신 링크들Array-based free-space optical communication links

관련 출원(들)에 대한 상호-참조Cross-reference to related application(s)

본 출원은 2019년 11월 14일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Array Based Free Space Optical Communication Links"인 미국 가특허 출원 제62/935,471호의 우선권 및 혜택을 주장한다.This application claims the priority and benefit of U.S. Provisional Patent Application No. 62/935,471, entitled “Array Based Free Space Optical Communication Links,” filed on November 14, 2019.

기술 분야technology field

본 개시내용은 어레이-기반 자유-공간 광학 통신 링크들에 관한 것이다.This disclosure relates to array-based free-space optical communication links.

일부 자유-공간 광학(FSO; free-space optical) 통신 링크들은 포인트-투-포인트(point-to-point) 통신을 위해 배열된 광학 요소들과 함께 작동한다. 예를 들어, 포인트-투-포인트 통신 링크를 통해 서로 통신하는 2개의 노드들은 각각의 광학 빔들을 하나의 노드의 송신 애퍼처(aperture)로부터 또 다른 노드의 수신 애퍼처로 지향하기 위한 비교적 큰 렌즈들을 포함하는 망원경 배열(telescope arrangement)을 각각 사용할 수 있다. 이러한 FSO 통신 링크들은 오정렬, 진동 및 신틸레이션(scintillation)과 같은 장애들에 잠재적으로 민감하다.Some free-space optical (FSO) communication links operate with optical elements arranged for point-to-point communication. For example, two nodes communicating with each other through a point-to-point communication link may each have relatively large lenses to direct the optical beams from the transmit aperture of one node to the receive aperture of another node. Each telescope arrangement can be used, including: These FSO communication links are potentially sensitive to disturbances such as misalignment, vibration and scintillation.

일 양태에서, 일반적으로, 원격 노드와의 광학 통신을 위한 장치는: 원격 노드로부터 적어도 하나의 광학 빔의 적어도 일부분을 수신하도록 구성되는 수신기 모듈 - 수신기 모듈은, 광학 검출기 모듈들의 적어도 하나의 어레이, 및 광학 검출기 모듈들을 제어하고 광학 검출기 모듈들 중 하나 이상으로부터의 하나 이상의 신호에 기초하여 강도 정보를 제공하도록 구성되는 회로부를 포함함 -; 및 적어도 하나의 광학 빔을 원격 노드로 송신하도록 구성되는 송신기 모듈 - 송신기 모듈은, 원격 노드로 송신되는 광학 빔을 제공하는 적어도 하나의 광학 위상 어레이, 및 원격 노드로 송신되는 광학 빔을 스티어링(steering)하도록 광학 위상 어레이를 제어하기 위해 원격 노드로부터 강도 정보를 수신하도록 구성되는 회로부를 포함함 - 을 포함한다.In one aspect, generally, an apparatus for optical communication with a remote node includes: a receiver module configured to receive at least a portion of at least one optical beam from a remote node, the receiver module comprising: at least one array of optical detector modules; and circuitry configured to control the optical detector modules and provide intensity information based on one or more signals from one or more of the optical detector modules; and a transmitter module configured to transmit at least one optical beam to the remote node, the transmitter module comprising: at least one optical phased array providing an optical beam transmitted to the remote node, and steering the optical beam transmitted to the remote node. ), comprising circuitry configured to receive intensity information from a remote node to control the optical phased array.

다른 양태에서, 일반적으로, 원격 노드와의 광학 통신을 위한 방법은: 적어도 하나의 광학 빔을 원격 노드로 송신하는 단계; 원격 노드로부터 적어도 하나의 광학 빔의 적어도 일부분을 수신하는 단계; 원격 노드로부터 수신된 광학 빔의 일부분을 검출하는 광학 검출기 모듈들의 어레이 내의 하나 이상의 광학 검출기 모듈로부터의 하나 이상의 신호에 기초하여 강도 정보를 제공하는 단계; 및 원격 노드로부터 수신된 강도 정보에 기초하여 원격 노드로 송신된 광학 빔을 스티어링하도록 적어도 하나의 광학 위상 어레이를 제어하는 단계를 포함한다.In another aspect, generally, a method for optical communication with a remote node includes: transmitting at least one optical beam to the remote node; Receiving at least a portion of at least one optical beam from a remote node; providing intensity information based on one or more signals from one or more optical detector modules in an array of optical detector modules that detect a portion of an optical beam received from a remote node; and controlling at least one optical phased array to steer an optical beam transmitted to the remote node based on intensity information received from the remote node.

양태들은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.Aspects may include one or more of the following features.

광학 검출기 모듈들의 어레이는 대응하는 증폭기에 각각의 광전류를 각각 제공하는 광다이오드들의 2차원 어레이를 포함한다.The array of optical detector modules includes a two-dimensional array of photodiodes each providing a respective photocurrent to a corresponding amplifier.

광다이오드들은 애벌란시(avalanche) 광다이오드들을 포함하고, 증폭기들은 트랜스임피던스(transimpedance) 증폭기들을 포함한다.The photodiodes include avalanche photodiodes and the amplifiers include transimpedance amplifiers.

수신기 모듈의 회로부는 대응하는 증폭기에서의 광전류를 임계값과 비교하는 것에 적어도 부분적으로 기초하여 파워 온되는 모든 증폭기들보다 적은 증폭기들의 부분집합을 결정하도록 구성된다.The circuitry of the receiver module is configured to determine a subset of less than all amplifiers to be powered on based at least in part on comparing the photocurrent in the corresponding amplifier to a threshold.

수신기 모듈의 회로부는 광학 빔의 적어도 일부분을 수신하고 있는 광다이오드들의 제1 부분집합, 및 다른 광학 빔의 적어도 일부분을 수신하고 있는 광다이오드들의 제2 부분집합을 결정하도록 구성된다.Circuitry of the receiver module is configured to determine a first subset of photodiodes that are receiving at least a portion of an optical beam and a second subset of photodiodes that are receiving at least a portion of another optical beam.

수신기 모듈은 광학 빔을 코히어런트하게 수신하기 위한 코히어런트(coherent) 로컬 오실레이터 빔을 제공하는 광원을 더 포함한다.The receiver module further includes a light source that provides a coherent local oscillator beam for coherently receiving the optical beam.

광원은 다수의 광학 빔들을 동시에 코히어런트하게 수신하기 위한 다수의 코히어런트 로컬 오실레이터 빔들을 제공한다.The light source provides multiple coherent local oscillator beams for coherently receiving multiple optical beams simultaneously.

원격 노드로부터의 강도 정보는 적어도 자유 공간 광학 통신 링크의 셋업 동안, 원격 노드와의 자유 공간 광학 통신 링크로부터 분리된 사이드-채널 네트워크를 통해 송신기 모듈의 회로부에 의해 수신된다.The intensity information from the remote node is received by circuitry of the transmitter module via a side-channel network separate from the free space optical communication link with the remote node, at least during setup of the free space optical communication link.

원격 노드로부터의 추가적인 강도 정보는 자유 공간 광학 통신 링크의 셋업 이후 자유 공간 광학 통신 링크를 통해 광학 위상 어레이를 제어하기 위한 송신기 모듈의 회로부에 의해 수신된다.Additional intensity information from the remote node is received by circuitry in the transmitter module for controlling the optical phased array via the free space optical communication link after setup of the free space optical communication link.

수신기 모듈은 광학 검출기 모듈들의 어레이에 근접한 마이크로렌즈(microlens) 어레이를 더 포함한다.The receiver module further includes an array of microlens adjacent to the array of optical detector modules.

수신기 모듈은 마이크로렌즈 어레이에 근접하게 광을 포커싱하도록 구성되는 적어도 하나의 렌즈를 더 포함한다.The receiver module further includes at least one lens configured to focus light proximate to the microlens array.

마이크로렌즈 어레이와 렌즈 사이의 거리는 렌즈의 초점 거리보다 적어도 5%만큼 더 크거나 더 작다.The distance between the microlens array and the lens is at least 5% larger or smaller than the focal length of the lens.

수신기 모듈은 광학 검출기 모듈들의 어레이에 근접하게 광을 포커싱하도록 구성되는 적어도 하나의 렌즈를 더 포함한다.The receiver module further includes at least one lens configured to focus light proximate to the array of optical detector modules.

광학 검출기 모듈들의 어레이와 렌즈 사이의 거리는 렌즈의 초점 거리보다 적어도 5%만큼 더 크거나 더 작다.The distance between the array of optical detector modules and the lens is at least 5% larger or smaller than the focal length of the lens.

광학 검출기 모듈들의 어레이는 광자 집적 회로 내의 광검출기들의 어레이를 포함한다.The array of optical detector modules includes an array of photodetectors within a photonic integrated circuit.

광학 위상 어레이는 각각의 광학 위상 시프터에 각각 커플링되는 광학 방출기들의 2차원 어레이를 포함하고, 광학 위상 시프터들에 인가되는 각각의 위상 시프트 신호들은 적어도 제1 평면 내에서 원격 노드로 송신되는 광학 빔의 전파 축(propagation axis)의 스티어링을 제어한다.The optical phased array includes a two-dimensional array of optical emitters each coupled to a respective optical phase shifter, each phase shift signal applied to the optical phase shifter being an optical beam transmitted to a remote node at least in a first plane. Controls the steering of the propagation axis.

광학 위상 시프터들에 인가되는 각각의 위상 시프트 신호들은 제1 평면에 수직인 제2 평면 내에서 원격 노드로 송신되는 광학 빔의 전파 축의 스티어링을 제어한다.Respective phase shift signals applied to the optical phase shifters control steering of the propagation axis of the optical beam transmitted to the remote node in a second plane perpendicular to the first plane.

광학 방출기들로부터 방출되는 광학 파들의 파장 튜닝은 제1 평면에 수직인 제2 평면 내에서 원격 노드로 송신되는 광학 빔의 전파 축의 스티어링을 제어한다.Tuning the wavelength of the optical waves emitted from the optical emitters controls the steering of the propagation axis of the optical beam transmitted to the remote node in a second plane perpendicular to the first plane.

양태들은 다음의 장점들 중 하나 이상을 가질 수 있다.Aspects may have one or more of the following advantages.

본 명세서에 설명되는 통신 시스템의 일부 구현들에서, 송신기 모듈은 송신 애퍼처로부터의 광을 동적으로 스티어링할 수 있고, 수신기 모듈은 동적 스티어링을 위해 사용되는 강도 정보 및 링크를 통해 통신되는 데이터를 복원하기 위해 수신 애퍼처로부터의 광을 수집할 수 있다. 일부 구현들에서, 송신기 모듈은 동적 스티어링을 위해 광학 위상 어레이(OPA; optical phased array)(예를 들어, 광학 칩 상에 통합된 OPA)를 사용하고, 수신기 모듈은 고속 검출기 어레이 시스템을 사용한다. 이러한 동적 정렬은, 예를 들어, 오정렬, 진동, 및 신틸레이션과 같은 잠재적 장애 중 일부에 덜 민감한 고속 광학 통신 시스템을 제공하는 데 유용할 수 있다. 일부 구현들에서, 시스템의 부분들은, 시스템의 동적 정렬을 추가로 용이하게 할 수 있는, 이동 송신기(Tx) 및 수신기(Rx) 플랫폼들 상에 장착될 수 있다.In some implementations of the communication system described herein, a transmitter module can dynamically steer light from a transmit aperture, and a receiver module can recover data communicated over the link and intensity information used for dynamic steering. To do this, light from the receiving aperture can be collected. In some implementations, the transmitter module uses an optical phased array (OPA) (e.g., an OPA integrated on an optical chip) for dynamic steering, and the receiver module uses a high-speed detector array system. Such dynamic alignment may be useful in providing high-speed optical communication systems that are less sensitive to some of the potential disturbances such as misalignment, vibration, and scintillation, for example. In some implementations, portions of the system may be mounted on mobile transmitter (Tx) and receiver (Rx) platforms, which may further facilitate dynamic alignment of the system.

다른 특징들 및 이점들은 다음의 설명으로부터, 그리고 도면들 및 청구항들로부터 명백해질 것이다.Other features and advantages will become apparent from the following description and from the drawings and claims.

본 개시내용은 첨부 도면들과 함께 읽을 때 다음의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 일반적인 실시에 따르면, 도면들의 다양한 특징들은 축척에 맞지 않는다는 것이 강조된다. 반대로, 다양한 특징들의 치수들은 명료성을 위해 임의로 확대되거나 축소된다.
도 1a는 예시적인 통신 시스템의 개략도이다.
도 1b 내지 도 1e는 대안적인 통신 노드들의 개략도들이다.
도 2는 예시적인 빔 스티어링 배열의 개략도이다.
도 3a 및 도 3b는 빔 스티어링 배열들의 예들의 개략도들이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 마이크로렌즈-방출기(microlens-emitter) 배열의 측면도 및 평면도의 개략도들이다.
도 5는 렌즈에 대한 광학 기하 구조의 개략도이다.
도 6은 광학 수신 배열의 개략도이다.
도 7은 광학 수신 배열의 개략도이다.
도 8은 광학 수신 배열의 개략도이다.
도 9는 광학 수신 배열의 개략도이다.
도 10은 광학 수신 배열의 개략도이다.
도 11a 및 도 11b는 광학 수신 배열들의 개략도들이다.
도 12는 검출기 어레이 상의 수신된 강도 패턴들의 예시이다.
도 13은 멀티-빔 FSO 통신 시스템의 개략도이다.
도 14a 내지 도 14d는 메시 네트워크 구성들의 개략도들이다.
도 15a 및 도 15b는 코히어런트 검출 구성들의 개략도들이다.
도 16은 코히어런트 검출 구성의 개략도이다.
도 17은 멀티-채널 코히어런트 FSO 통신 시스템의 개략도이다.
도 18은 예시적인 검출 배열의 개략도이다.
도 19는 예시적인 판독 회로의 회로도이다.
도 20은 예시적인 검출기 모듈 기하 구조의 개략도이다.
도 21은 예시적인 검출기 모듈 회로부의 개략도이다.
도 22는 예시적인 검출기 어레이 배열의 예시이다.
도 23은 예시적인 검출기 어레이 배열의 개략도이다.
도 24는 상이한 수신된 빔들에 대한 광학 강도 패턴들의 예의 개략도이다.
도 25는 예시적인 FSO 통신 시스템의 개략도이다.
도 26은 동적 빔 스티어링을 위한 예시적인 배열의 개략도이다.
도 27a 및 도 27b는 예시적인 검출 배열들의 개략도들이다.
The present disclosure is best understood from the following detailed description when read in conjunction with the accompanying drawings. It is emphasized that, according to common practice, various features of the drawings are not to scale. Conversely, the dimensions of various features are arbitrarily enlarged or reduced for clarity.
1A is a schematic diagram of an example communication system.
Figures 1B-1E are schematic diagrams of alternative communication nodes.
Figure 2 is a schematic diagram of an example beam steering arrangement.
3A and 3B are schematic diagrams of examples of beam steering arrangements.
4A and 4B are schematic diagrams of a side view and a top view, respectively, of a microlens-emitter array.
Figure 5 is a schematic diagram of the optical geometry for the lens.
Figure 6 is a schematic diagram of an optical receiving arrangement.
Figure 7 is a schematic diagram of an optical receiving arrangement.
Figure 8 is a schematic diagram of an optical receiving arrangement.
Figure 9 is a schematic diagram of an optical receiving arrangement.
Figure 10 is a schematic diagram of an optical receiving arrangement.
Figures 11A and 11B are schematic diagrams of optical receiving arrangements.
Figure 12 is an example of received intensity patterns on a detector array.
Figure 13 is a schematic diagram of a multi-beam FSO communication system.
14A-14D are schematic diagrams of mesh network configurations.
15A and 15B are schematic diagrams of coherent detection configurations.
Figure 16 is a schematic diagram of a coherent detection configuration.
Figure 17 is a schematic diagram of a multi-channel coherent FSO communication system.
Figure 18 is a schematic diagram of an exemplary detection arrangement.
Figure 19 is a circuit diagram of an exemplary readout circuit.
Figure 20 is a schematic diagram of an exemplary detector module geometry.
21 is a schematic diagram of exemplary detector module circuitry.
Figure 22 is an illustration of an exemplary detector array arrangement.
Figure 23 is a schematic diagram of an exemplary detector array arrangement.
Figure 24 is a schematic diagram of examples of optical intensity patterns for different received beams.
25 is a schematic diagram of an exemplary FSO communication system.
26 is a schematic diagram of an example arrangement for dynamic beam steering.
27A and 27B are schematic diagrams of example detection arrangements.

도 1a를 참조하면, 예시적인 통신 시스템은 통신 노드들(100A 및 100B) 사이에서 양 방향들로 송신되는 광학 빔들을 사용하는 고속 FSO 양방향 통신 링크(또는 간단히 "FSO 링크")를 통해 통신하도록 구성되는, 로컬 노드(100A) 및 원격 노드(100B)를 포함한다. 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 초기 정렬 및/또는 온고잉(ongoing) 동적 정렬을 위해 일부 구현들에서 사용되는 사이드-채널 양방향 통신 링크(또는 간단히 "사이드-채널 링크")도 존재한다. 사이드-채널 링크는 특히 고속일 필요가 없지만(예를 들어, FSO 링크보다 한 자릿수만큼 더 느리거나 또는 더 많음), 비교적 낮은 레이턴시(latency)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 사이드-채널 네트워크(101)는 노드들(100A 및 100B)에 전용인 포인트-투-포인트 네트워크를 포함하는 다양한 타입들의 네트워크들 중 임의의 것일 수 있고, 유선 매체들(예를 들어, 동축 케이블), 무선 주파수(RF; radio frequency) 링크들과 같은 무선 매체들, 및/또는 광학 매체들(예를 들어, 광섬유)과 같은 다양한 통신 매체들 중 임의의 것을 사용할 수 있다.1A , an example communication system is configured to communicate over a high-speed FSO two-way communication link (or simply “FSO link”) using optical beams transmitted in both directions between communication nodes 100A and 100B. It includes a local node (100A) and a remote node (100B). As described in more detail below, there is also a side-channel two-way communication link (or simply a “side-channel link”) used in some implementations for initial alignment and/or ongoing dynamic alignment. The side-channel link need not be particularly fast (e.g., an order of magnitude slower or more than an FSO link), but may provide relatively low latency. For example, side-channel network 101 may be any of a variety of types of networks, including a point-to-point network dedicated to nodes 100A and 100B, and may be connected to wired media (e.g. , coaxial cable), wireless media such as radio frequency (RF) links, and/or optical media (e.g., optical fiber).

이 예에서, 로컬 노드(100A)는 원격 노드(100B)의 방향으로 입체각(solid angle)에 걸쳐 스티어링될 수 있는 방출 빔(outgoing beam)(102A)을 제공하고, 입사 빔(incoming beam)(104A)을 수신하도록 구성된다. 빔 스티어러(beam steerer)(106)는 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 광학 위상 어레이들을 포함하여, 방출 빔(102A)을 스티어링하기 위해 다양한 기법들 중 임의의 기법을 사용하도록 구성될 수 있다. 로컬 노드(100A)는 또한 입사 데이터 스트림(108)으로부터의 데이터를 방출 빔(102A) 상에 변조하도록 구성된다. 입사 강도 피드백 포트(110)는 방출 빔(102A)을 스티어링하기 위해 빔 스티어러(106)에 의해 사용되는, 사이드-채널 네트워크(101)를 통해 원격 노드(102B)에 의해 송신된 강도 정보를 제공한다. 로컬 노드(100A)는 또한 검출 영역의 개별 픽셀들을 표현하는 검출된 신호들을 갖는 가깝게 이격된 광학 검출기 모듈들의 분포를 포함하는 검출기 어레이(112)를 포함한다. 검출기 어레이(112), 빔 스티어러(106), 및 노드(100A) 내의 다른 컴포넌트들은, 예를 들어, 플랫폼 또는 다른 강성 구조물(rigid structure)에 지지될 수 있다. 일부 구현들에서, 원격 노드(100B)는 로컬 노드(100A)와 동일한 컴포넌트들을 포함한다. 일부 구성 및 정렬 절차들은 로컬 노드(100A)의 맥락에서 설명될 것이지만, 실질적으로 동일한 절차들이 또한 원격 노드(100B)에서 수행될 수 있다.In this example, local node 100A provides an outgoing beam 102A that can be steered over a solid angle in the direction of remote node 100B and an incoming beam 104A. ) is configured to receive. Beam steerer 106 may be configured to use any of a variety of techniques to steer the emission beam 102A, including optical phased arrays, as described in more detail below. . Local node 100A is also configured to modulate data from incident data stream 108 onto emitting beam 102A. Incident intensity feedback port 110 provides intensity information transmitted by remote node 102B via side-channel network 101, which is used by beam steerer 106 to steer emission beam 102A. do. Local node 100A also includes a detector array 112 that includes a distribution of closely spaced optical detector modules with detected signals representing individual pixels of the detection area. Detector array 112, beam steerer 106, and other components within node 100A may be supported on a platform or other rigid structure, for example. In some implementations, remote node 100B includes the same components as local node 100A. Although some configuration and alignment procedures will be described in the context of local node 100A, substantially the same procedures may also be performed at remote node 100B.

일반적으로, 입사 빔(104A)은 다수의 픽셀들에 걸쳐 확산되는 입사 광학 강도 프로파일을 갖는다. 로컬 노드(102A)는 검출기 어레이(112)의 광학 검출기 모듈들을 제어하고 원격 노드(100B)로의 송신을 위해 방출 강도 피드백 포트(116)로부터 강도 정보를 제공하도록 구성되는 회로부를 포함한다. 하나의 노드에서의 광학 검출기 모듈들로부터의 강도 정보 기반 신호들은 대기 효과들(예를 들어, 노드들 사이의 공기 중의 난류로 인한 강도 신틸레이션) 및/또는 노드들 중 하나 또는 둘 다의 이동으로 인한 픽셀들에 걸친 강도 프로파일의 드리프트를 보상하기 위해 빔들의 동적 스티어링을 안내하기 위해 다른 노드로 송신될 수 있다. 어느 광학 검출기 모듈들이 검출 동안 동시에 활성인지를 제어함으로써 전력이 또한 절약될 수 있다. 예를 들어, 광학 검출기 모듈은 대응하는 증폭기(예를 들어, 트랜스임피던스 증폭기)에 각각의 광전류를 각각 제공하는 광다이오드들(예를 들어, 애벌란시 광다이오드들)의 2차원 어레이를 포함할 수 있다. 증폭기는 광다이오드의 출력이 임계값을 초과하는지 여부에 기초하여 전력을 절약하기 위해 적절하게 턴온 또는 턴오프될 수 있다.Typically, incident beam 104A has an incident optical intensity profile that is spread out over multiple pixels. Local node 102A includes circuitry configured to control the optical detector modules of detector array 112 and provide intensity information from emission intensity feedback port 116 for transmission to remote node 100B. Signals based on intensity information from optical detector modules at one node may be due to atmospheric effects (e.g., intensity scintillation due to air turbulence between nodes) and/or movement of one or both nodes. It can be transmitted to other nodes to guide dynamic steering of the beams to compensate for drift in the intensity profile across pixels. Power can also be saved by controlling which optical detector modules are simultaneously active during detection. For example, the optical detector module may include a two-dimensional array of photodiodes (e.g., avalanche photodiodes) each providing a respective photocurrent to a corresponding amplifier (e.g., transimpedance amplifier). there is. The amplifier can be turned on or off appropriately to save power based on whether the output of the photodiode exceeds a threshold.

노드들(100A 및 100B) 사이의 FSO 링크가 초기에 셋업될 때, 대략적인(rough) 정렬 위상 및 미세한(fine) 정렬 위상을 포함하는 초기 정렬 절차가 존재한다. 대략적인 정렬 위상 동안, 방출 빔(102A)은 미리 결정된 위치 정보(예를 들어, GPS 좌표들 또는 다른 절대 또는 상대 좌표들)에 따라 원격 노드(100B)에 지향되는 것으로 가정되는 대략적인 방향으로 조준된다. 대략적인 정렬 위상은 또한 로컬 노드(100A)에서의 망원경으로부터의 및/또는 원격 노드(100B) 상에 있거나 그에 근접한 역반사기(retroreflector)로부터의 정보를 사용하는 대략적인 스티어링을 임의적으로(optionally) 포함할 수 있다. 대략적인 정렬 위상은 일부 통신 세션들에 대해, 예를 들어, 방출 빔(102A)이 노드들(100A 및 100B) 사이에 사용된 이전의 FSO 링크로부터 이미 대략적으로 정렬된 경우에 필요하지 않을 수 있다.When the FSO link between nodes 100A and 100B is initially set up, there is an initial alignment procedure that includes a rough alignment phase and a fine alignment phase. During the coarse alignment phase, the emitting beam 102A is aimed in a general direction that is assumed to be directed to the remote node 100B according to predetermined position information (e.g., GPS coordinates or other absolute or relative coordinates). do. The coarse alignment phase also optionally includes coarse steering using information from telescopes at local node 100A and/or from retroreflectors on or near remote node 100B. can do. Coarse alignment phase may not be necessary for some communication sessions, for example, if emission beam 102A is already roughly aligned from a previous FSO link used between nodes 100A and 100B. .

방출 빔(102A)이 입사 빔(104B)으로서 원격 노드(100B)에 도달할 때, 미세한 정렬 위상은 입사 빔(104B)이 원격 노드(100B)의 검출기 어레이에 대해 적절하게 위치되는 것을 보장하기 위해 사용될 수 있다. 일부 경우들에서, 입사 빔(104B)은 예를 들어, 대기 전파로부터의 흡수 또는 다른 장애들로 인해 또는 빔 확산으로 인해 방출 빔(104A)으로부터의 전력의 일부분만을 나타낼 수 있다. 미세한 정렬 위상의 일부로서, 강도 정보는 원격 노드(100B)에서 캡처될 수 있고 사이드-채널 네트워크(101)를 통해 강도 피드백 포트(110)로 제공될 수 있다. 강도 정보는 원격 노드(100B)의 검출기 어레이 내의 광학 검출기 모듈들에 의해 입사 빔(104B) 내의 전력이 얼마나 검출되고 있는지를 표시하는 신호 품질 측정을 포함할 수 있다.When emission beam 102A reaches remote node 100B as incident beam 104B, fine alignment phase is required to ensure that incident beam 104B is properly positioned relative to the detector array of remote node 100B. can be used In some cases, incident beam 104B may represent only a portion of the power from emitted beam 104A, for example, due to absorption or other disturbances from atmospheric propagation or due to beam divergence. As part of the fine alignment phase, intensity information may be captured at remote node 100B and provided to intensity feedback port 110 via side-channel network 101. The intensity information may include a signal quality measurement that indicates how much power in incident beam 104B is being detected by optical detector modules within the detector array of remote node 100B.

FSO 링크가 동작한 후에, 원격 노드(100B)로부터의 피드백으로서 사용되는 강도 정보에 기초하여 방출 빔(102A)을 계속 스티어링하는 데 사용되는 온고잉 동적 정렬이 또한 있을 수 있다. 예를 들어, 빔의 전파 방향에 영향을 미치는 대기 조건들을 변경하기 위해 스티어링이 조절될 필요가 있을 수 있다. 일부 구현들에서, FSO 링크가 동작한 후에, 양 방향들에서 빔들의 동적 정렬을 위해 노드들 사이에서 사이드-채널 네트워크(101)를 사용하여 강도 정보를 송신하는 대신에, 강도 정보는 양 방향들에서 데이터 통신 스트림들 내에 내장된 정보로서 (예를 들어, 시간 도메인 또는 주파수 도메인 멀티플렉싱을 사용하여) 송신될 수 있다.After the FSO link is operational, there may also be an on-going dynamic alignment used to continue steering the emission beam 102A based on intensity information used as feedback from the remote node 100B. For example, the steering may need to be adjusted to change atmospheric conditions that affect the direction of propagation of the beam. In some implementations, after the FSO link is operational, instead of transmitting intensity information using the side-channel network 101 between nodes for dynamic alignment of beams in both directions, the intensity information is transmitted in both directions. may be transmitted as information embedded within data communication streams (e.g., using time domain or frequency domain multiplexing).

도 1b 내지 도 1e는 통신 노드의 대안적인 구현들의 예들을 도시한다. 도 1b를 참조하면, 노드(100C)는 렌즈(120), 또는 다른 빔 셰이핑(shaping) 광학 요소들을 포함하여, 빔 발산을 제한하고 원격 노드에서의 입사 빔이 비교적 잘 포커싱된 채로 유지되는 것을 보장한다. 도 1c를 참조하면, 노드(100D)는 렌즈(122), 또는 다른 빔 셰이핑 광학 요소들을 포함하여, 렌즈 애퍼처를 가로질러 광을 수집하고 입사 빔(104A)의 적어도 일부분을 검출기 어레이(112)의 일부분 상에(예를 들어, 하나 또는 비교적 적은 수의 픽셀에) 포커싱한다. 도 1d의 예에서, 노드(100E)는 송신기-측 렌즈(120) 및 수신기-측 렌즈(122) 둘 다를 포함한다. 송신기-측 렌즈가 없는 노드(100C)에 대해, 일부 구현들에서 더 큰 시야가 달성될 수 있다. 수신기-측 렌즈가 없는 노드(100B)에 대해, 정렬 에러들에 대한 더 낮은 감도가 일부 구현들에서 달성될 수 있다.1B-1E show examples of alternative implementations of a communication node. 1B, node 100C includes a lens 120, or other beam shaping optical elements, to limit beam divergence and ensure that the incident beam at the remote node remains relatively well focused. do. Referring to FIG. 1C , node 100D includes a lens 122, or other beam shaping optical elements, to collect light across the lens aperture and direct at least a portion of incident beam 104A to detector array 112. Focus on a portion of (e.g., one or a relatively small number of pixels). In the example of Figure 1D, node 100E includes both transmitter-side lens 120 and receiver-side lens 122. For node 100C without a transmitter-side lens, a larger field of view may be achieved in some implementations. For node 100B without a receiver-side lens, lower sensitivity to alignment errors may be achieved in some implementations.

도 1e를 참조하면, 검출기 어레이(112)는 수신기-측 렌즈(122)와 관련된 초점 평면과 정확히 일치하지 않는 거리에 배치될 수 있다. 예를 들어, (예를 들어, 비교적 긴 거리에 걸친 전파를 위해) 실질적으로 시준된(collimated) 광학 빔의 경우, 수신기-측 렌즈(122) 이후의 가장 조밀한 스폿 크기는 렌즈(122)의 초점 거리에 가까울 것이다. 검출기 어레이(112)를 초점 거리보다 더 먼(또는 초점 거리보다 더 가까운) 거리에 배치하는 것은 검출기 어레이(112)에 완벽하게 포커싱되지 않는 빔을 초래할 것이고, 이는 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 일부 구현들에서 유익할 수 있다. 디포커스의 양은 변할 수 있지만, 일부 구현들에서, 렌즈(122)와 검출기 어레이(112) 사이의 거리는 초점 거리보다 적어도 약 5% 이상, 또는 적어도 약 10% 이상만큼 더 크거나 더 작다.Referring to Figure 1E, detector array 112 may be placed at a distance that does not exactly coincide with the focal plane associated with receiver-side lens 122. For example, for a substantially collimated optical beam (e.g., for propagation over relatively long distances), the densest spot size after the receiver-side lens 122 is that of the lens 122. It will be close to the focal length. Placing detector array 112 at a distance greater than (or closer to) the focal length will result in a beam that is not perfectly focused on detector array 112, as explained in more detail below: This may be beneficial in some implementations. The amount of defocus may vary, but in some implementations, the distance between lens 122 and detector array 112 is at least about 5% greater or less than the focal length, or at least about 10% greater or less.

도 2를 참조하면, 빔 스티어링 배열(200)의 예는 입사 데이터 스트림으로부터의 데이터로(예를 들어, 상이한 강도 레벨들에 맵핑된 이진(binary) 데이터 심볼들로)(예를 들어, 강도 변조를 이용하여) 변조될 수 있는 튜닝 가능 레이저(202)를 포함한다. 광은 그 후 분할기들(204)의 네트워크에 의해 위상 시프터들(206)의 어레이 및 광학 방출기들(208)의 어레이로 분배된다. 이 광학 위상 어레이는 파장 및 위상을 이용하여 2개의 각도 차원들에서 스티어링될 수 있다. 튜닝 가능 레이저(202)는 입체각의 하나의 각도 차원에 걸쳐 스티어링하기 위해 튜닝된 그의 파장(또는 등가적으로, 그의 주파수)을 가질 수 있고, 위상 시프터들(206)은 입체각의 다른 각도 차원에 걸쳐 스티어링하기 위해 튜닝된 그들의 상대적인 위상 시프트들을 가질 수 있다.2, an example beam steering arrangement 200 provides data from an incident data stream (e.g., into binary data symbols mapped to different intensity levels) (e.g., intensity modulation). and a tunable laser 202 that can be modulated using . The light is then distributed by a network of splitters 204 to an array of phase shifters 206 and an array of optical emitters 208. This optical phased array can be steered in two angular dimensions using wavelength and phase. Tunable laser 202 can have its wavelength (or equivalently, its frequency) tuned to steer across one angular dimension of the solid angle, and phase shifters 206 can steer across another angular dimension of the solid angle. You can have their relative phase shifts tuned to steer.

도 3a 및 3b를 참조하면, 빔 스티어링 배열들의 다른 예들은 양 각도 차원들에 걸쳐 위상을 사용하여 스티어링될 수 있는 2차원 광학 위상 어레이를 사용한다. 도 3a는 직사각형 형상 영역에 걸쳐 분포된 광학 방출기들(302)을 포함하는 배열(300A)을 도시하며, 여기서 광은 방출기들(302)의 각각에 커플링된 위상 시프터들(304)에 분포된다. 이 예에서, 광은 "H-트리" 형상 분할기 네트워크를 사용하여 방출기들(302)에 전달된다. 이 위상 제어는 또한 본 명세서에 참조로 포함된 미국 특허 제10,613,410호에 더 상세히 설명된 바와 같이, 더 적은 입력/출력(I/O) 제어들을 가능하게 하는 서브-위상 어레이 포맷으로 수행될 수 있다.Referring to Figures 3A and 3B, other examples of beam steering arrangements use a two-dimensional optical phased array that can be steered using phase over both angular dimensions. 3A shows an array 300A comprising optical emitters 302 distributed over a rectangular shaped area, where light is distributed to phase shifters 304 coupled to each of the emitters 302. . In this example, light is delivered to emitters 302 using an “H-tree” shaped splitter network. This phase control can also be performed in a sub-phase array format allowing for fewer input/output (I/O) controls, as described in more detail in U.S. Pat. No. 10,613,410, which is incorporated herein by reference. .

배열(300A)에서 직면할 수 있는 잠재적인 이슈는 방출기들(302)이 특정 서브-파장 피치(예를 들어, 동작 파장의 절반)보다 더 큰 그들의 가장 가까운 이웃들로부터의 간격을 가질 수 있고, 이는 어레이 방출 패턴에서 사이드 로브들(lobes)을 초래할 것이다. 사이드 로브들의 효과를 완화시키는(예를 들어, 사이드 로브들 내로 방출되는 전력의 양을 감소시키는) 하나의 방식은 개별 방출기들과 관련된 요소 인자를 더 지향성(directional)으로 만드는 것이다. 예를 들어, 도 3b는 마이크로렌즈 어레이(306) 내의 렌즈들이 방출기들(302)과 대략 유사한 피치로 이격되도록, 방출기들(302)에 근접하여 마이크로렌즈 어레이(306)를 위치시킴으로써 개별 방출기들을 더 지향성으로 만드는 하나의 방식을 도시한다. 일부 구현들에서, 렌즈들의 중심들은 방출기들의 위치들과 실질적으로 일치하도록 미세-튜닝(fine-tuned)될 수 있다.A potential issue that may be encountered in array 300A is that emitters 302 may have a spacing from their nearest neighbors greater than a certain sub-wavelength pitch (e.g., half the operating wavelength), which This will result in side lobes in the array emission pattern. One way to mitigate the effect of the side lobes (eg, reduce the amount of power radiated into the side lobes) is to make the component factor associated with the individual emitters more directional. For example, FIG. 3B shows that individual emitters can be further separated by positioning the microlens array 306 in close proximity to the emitters 302 such that the lenses within the microlens array 306 are spaced at approximately similar pitch as the emitters 302. One method of making it directional is shown. In some implementations, the centers of the lenses can be fine-tuned to substantially match the positions of the emitters.

도 4는 광학 방출기(402) 위에 배치될 수 있는 마이크로렌즈(400)의 예를 측면도로 도시한다. 이 예에서, 마이크로렌즈(400)는 1.44의 굴절률을 갖는 유리 기판 내에 형성되고, 약 95㎛의 직경, 약 120㎛의 곡률 반경, 및 약 0.2의 개구수(NA)를 갖는다. 마이크로렌즈(400)와 실리콘 도파관 방출기(404) 사이에 약 240㎛의 작업 거리가 존재한다. 방출기(404)는 실리콘-온-절연체(SOI; silicon-on-insulator) 플랫폼을 이용하여 제조되는 실리콘 기판(408) 위의 산화물 클래딩(406) 내에 내장되는 격자 구조물을 갖는 도파관으로서 구현될 수 있다. 도 4b는 각각의 광학 방출기들(402) 위에 배치되는, 마이크로렌즈 어레이 내의 마이크로렌즈들(400)의 배열(410)의 평면도를 도시한다.Figure 4 shows in side view an example of a microlens 400 that may be placed over an optical emitter 402. In this example, the microlens 400 is formed in a glass substrate with a refractive index of 1.44, and has a diameter of about 95 μm, a radius of curvature of about 120 μm, and a numerical aperture (NA) of about 0.2. There is a working distance of approximately 240 μm between the microlens 400 and the silicon waveguide emitter 404. The emitter 404 may be implemented as a waveguide with a grating structure embedded in an oxide cladding 406 over a silicon substrate 408 fabricated using a silicon-on-insulator (SOI) platform. . FIG. 4B shows a top view of an array 410 of microlenses 400 within a microlens array, disposed over respective optical emitters 402.

도 5는 측면-모드 억제(side-mode suppression)를 제공하기 위해 방출/수집 디바이스를 더 지향성으로 만드는 것과 관련된 마이크로렌즈 어레이 내의 마이크로렌즈로서 사용되는 렌즈(500) 및 결과적인 광학 기하 구조의 일례를 도시한다. 이 예에서, 렌즈(500)는 약 200㎛의 초점 길이를 갖고, 초점 평면에서의 결과적인 포커싱된 스폿 크기는 약 8㎛인 것으로 가정된다. 관측 시야각은 약 1.5도이다. 렌즈 (및 결과적인 개구수)의 크기가 증가함에 따라, 지향성이 증가한다.5 shows an example of a lens 500 and the resulting optical geometry used as a microlens in a microlens array related to making the emission/collection device more directional to provide side-mode suppression. It shows. In this example, lens 500 is assumed to have a focal length of approximately 200 μm, and the resulting focused spot size in the focal plane is approximately 8 μm. The observation viewing angle is approximately 1.5 degrees. As the size of the lens (and resulting numerical aperture) increases, directivity increases.

도 6을 참조하면, 광학 수신 배열 내의 수신기-측 렌즈의 포함은, 예를 들어, 단지 하나의 수신기(예를 들어, 광검출기)가 사용되는 경우, 시야(또는 "관측 시야(field of regard)" 또는 "수집 원뿔(collection cone)")의 감소로 잠재적으로 이어질 수 있다. 그러나, 시야는 초점 표면 위에 적절히 배열된 다수의 수신기를 사용하는 수신기-측 렌즈(600)로 증가될 수 있다. 입사 평면 파의 방향이 (예를 들어, 입사 빔(602A)으로부터 입사 빔(602B)으로) 변경되는 경우, 대응하는 수신기의 포커싱 포인트는 반구형 초점 표면 상에서 (예를 들어, 수신기(602A)로부터 수신기(602B)로) 이동한다. 이러한 수신기들의 반구형 배열은 광이 비교적 큰 공간 원뿔 위에 수신되게 할 것이다. 대안적으로, 렌즈 축의 중심에 배치된 단일 수신기만이 있는 경우, 광은 더 제한된 공간 원뿔로부터 수신될 것이다.Referring to Figure 6, the inclusion of a receiver-side lens in an optical receiving array may reduce the field of view (or "field of regard"), for example, if only one receiver (e.g., photodetector) is used. "or "collection cone"). However, the field of view can be increased with a receiver-side lens 600 using multiple receivers appropriately arranged over the focal surface. When the direction of the incident plane wave changes (e.g., from incident beam 602A to incident beam 602B), the focusing point of the corresponding receiver changes on the hemispherical focal surface (e.g., from receiver 602A to receiver Go to (602B). A hemispherical arrangement of these receivers will allow light to be received over a relatively large cone of space. Alternatively, if there is only a single receiver placed at the center of the lens axis, the light will be received from a more confined cone of space.

도 7 및 도 8은 수신기-측 렌즈가 없는, 그리고 수신기-측 렌즈가 있는 상이한 광학 수신 배열들을 각각 도시한다. 도 7을 참조하면, 수신 배열 내에 수신기-측 렌즈가 없을 때, 광검출기(700)는 광검출기(700)의 수용 각도 및 굴절률에 의존하는 관측 시야(702)를 갖는다. 도 8을 참조하면, 수신 배열 내에 렌즈(800)가 있을 때, 2차 팩터는 배열을 더 좁은 관측 시야(802)로 더 제한한다. 특히, 위에 설명된 바와 같이, 입사 빔의 각도가 변화할 때 렌즈(800)와 관련된 초점 표면(804) 상의 초점의 관련된 이동이 있다. 도 9는 상이한 각도들로 도달하는 상이한 입사 빔들(904A 및 904B)로부터 포커싱된 스폿들을 수신할 수 있는, 렌즈(900) 및 반구형 초점 표면(902) 상에 배치된 다수의 광검출기들의 어레이가 있는 광학 수신 배열을 도시한다. 예를 들어, 입사 빔의 위치 및/또는 각도는 대기 전파의 효과들로 인해 드리프트할 수 있다. 상이한 광검출기들로부터의 전기 신호들(906)은 수신된 이미지들에서 상이한 강도들을 갖는 상이한 픽셀들에 대응하고, 이는 빔이 드리프트함에 따라 FSO 링크의 동작 동안 변화할 수 있다.Figures 7 and 8 show different optical receiving arrangements without and with a receiver-side lens, respectively. Referring to FIG. 7 , when there is no receiver-side lens in the receiving array, photodetector 700 has a viewing field of view 702 that depends on the acceptance angle and refractive index of photodetector 700. Referring to Figure 8, when there is a lens 800 within the receiving array, the secondary factor further limits the array to a narrower field of view 802. In particular, as described above, there is an associated movement of focus on the focal surface 804 relative to the lens 800 when the angle of the incident beam changes. 9 shows an array of multiple photodetectors disposed on a lens 900 and a hemispherical focal surface 902, capable of receiving focused spots from different incident beams 904A and 904B arriving at different angles. The optical receiving arrangement is shown. For example, the position and/or angle of the incident beam may drift due to the effects of atmospheric propagation. Electrical signals 906 from different photodetectors correspond to different pixels with different intensities in the received images, which can change during operation of the FSO link as the beam drifts.

도 10을 참조하면, 일부 광 수신 배열들에서, 렌즈 결합 시스템(1000)은 상이한 각도들로부터 도달하는 입사 빔(예로서, 입사 빔(1002A) 또는 입사 빔(1002B))을 수신하도록 배열되는, 상이한 형상들 및/또는 초점 길이들을 갖는 다수의 렌즈들, 또는 복합 렌즈의 다수의 컴포넌트들을 포함한다. 단일 렌즈와 관련된 반구형 초점 표면에 대한 대안으로서, 렌즈 결합 시스템(1000)은 원하는 평탄화된 검출 표면(1004)과 더 밀접하게 매칭되는 평탄화된 초점 표면을 제공할 수 있다. 검출기 어레이의 일부 구현들에서, 평탄화된 초점 평면(1004)은 광검출기 및/또는 검출기 어레이의 검출기 모듈들의 다른 컴포넌트들을 분배하기 위한 더 적절한 배열일 수 있다. 그러한 광학 수신 배열에서, 오프-센터 입사 경로를 통해 수신되는 빔은, 약간 디포커싱된(defocused) 에지 위치(1006)에 도시된 바와 같이, 검출 표면(1004)의 특정 부분에서 의도적으로 디포커싱될 수 있다.10, in some light receiving arrangements, the lens coupling system 1000 is arranged to receive incident beams arriving from different angles (e.g., incident beam 1002A or incident beam 1002B). It includes multiple lenses having different shapes and/or focal lengths, or multiple components of a composite lens. As an alternative to the hemispherical focal surface associated with a single lens, the lens combination system 1000 can provide a flattened focal surface that more closely matches the desired flattened detection surface 1004. In some implementations of the detector array, the flattened focal plane 1004 may be a more suitable arrangement for distributing the photodetector and/or other components of the detector modules of the detector array. In such an optical receiving arrangement, the beam received via the off-center incidence path may be intentionally defocused at certain portions of the detection surface 1004, as shown at the slightly defocused edge location 1006. You can.

도 11a 및 도 11b의 광학 수신 배열들은 일부 구현들에서 의도적인 디포커싱이 어떻게 긍정적인 결과들을 가질 수 있는지를 더 설명한다. 도 11a를 참조하면, 렌즈 시스템(1102)(예를 들어, 하나 이상의 렌즈의 시스템)은 광검출기 어레이(1104)의 상이한 광검출기들, 및 마이크로렌즈 어레이(1106)의 상이한 마이크로렌즈들에 대응하는 상이한 픽셀들에 대한 각각의 초점 스폿들을 시야(1108) 내의 상이한 입사 수용 각도들 및 위치들에 매핑한다. 스폿 크기들이 비교적 조밀한(대략 단일 픽셀 폭) 이 예에서, 광은 일부 수용 각도들/위치들에 대해 매우 효율적으로 수집된다. 예를 들어, 입사 빔(1110A)은 픽셀들 중 하나 상에 포커싱되어 그 픽셀로부터 전기 신호 출력(1112A)을 생성한다. 그러나, 다른 각도들/위치들에서 시야(1108) 내에 갭이 존재하며, 여기서 광은 픽셀들 사이에 떨어져서 전기 신호를 거의 또는 전혀 산출하지 않는다(즉, 수신되지 않는다).The optical receiving arrangements of FIGS. 11A and 11B further illustrate how intentional defocusing can have positive results in some implementations. Referring to FIG. 11A , lens system 1102 (e.g., a system of one or more lenses) corresponds to different photodetectors in photodetector array 1104 and different microlenses in microlens array 1106. Each focus spot for different pixels maps to different incident reception angles and positions within the field of view 1108. In this example, where the spot sizes are relatively dense (approximately a single pixel width), the light is collected very efficiently for some reception angles/positions. For example, incident beam 1110A is focused on one of the pixels to produce electrical signal output 1112A from that pixel. However, there are gaps in the field of view 1108 at other angles/positions, where light falls between pixels and produces little or no electrical signal (i.e., is not received).

수용 각도들/위치들에서의 갭들은 픽셀 크기보다 큰 스폿 크기를 가짐으로써 및/또는 마이크로렌즈 어레이(1106)에 의해 수집된 빔에서 소량의 디포커스를 가짐으로써 감소되거나 제거될 수 있다. 도 11b를 참조하면, 시야(1114)는 각각 다수의 픽셀들에 매핑하는, 수용 각도들의 중첩 원뿔들을 포함한다. 예를 들어, 입사 빔(110B)은 다수의 픽셀들(1116B)에 포커싱되어 이들 픽셀들(1116B)로부터 전기 신호 출력들(1112B)을 생성한다. 디포커싱의 효과는 또한 도 12의 예에서 보여질 수 있는데, 여기서 포커싱된 강도 패턴들은 약 200㎛의 픽셀 크기를 갖는 21×21 픽셀 검출기 어레이(1200)의 픽셀들 상에 도시된다. 이 예는 정사각형 형상의 송신기-측 애퍼처로부터 송신된 빔의 2개의 상이한 가능한 빔 궤적들에 대한 강도 패턴들을 도시한다. 대안적으로, 2개의 상이한 강도 패턴들은, 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 동시에 수신된 다수의 빔들에 대응할 수 있다. 이 예에서, 송신기-측 애퍼처의 정사각형 형상 및 송신기-측 OPA의 유한 방출기 간격은 하나보다 많은 픽셀을 커버하는 중심의 메인 로브, 및 메인 로브의 어느 한측 상의 2개의 직교 차원들을 따르는 다수의 사이드 로브들을 갖는, 각각의 초점 스폿에 대한 강도 패턴을 초래하였다.Gaps in acceptance angles/positions can be reduced or eliminated by having a spot size larger than the pixel size and/or by having a small amount of defocus in the beam collected by the microlens array 1106. Referring to Figure 11B, field of view 1114 includes overlapping cones of accommodation angles, each mapping to multiple pixels. For example, incident beam 110B is focused on a number of pixels 1116B to generate electrical signal outputs 1112B from those pixels 1116B. The effect of defocusing can also be seen in the example of Figure 12, where focused intensity patterns are shown on pixels of a 21x21 pixel detector array 1200 with a pixel size of approximately 200 μm. This example shows intensity patterns for two different possible beam trajectories of a beam transmitted from a square-shaped transmitter-side aperture. Alternatively, two different intensity patterns may correspond to multiple beams received simultaneously, as described in more detail below. In this example, the square shape of the transmitter-side aperture and the finite emitter spacing of the transmitter-side OPA have a central main lobe covering more than one pixel, and a number of sides along two orthogonal dimensions on either side of the main lobe. This resulted in an intensity pattern for each focal spot, with lobes.

다수의 개별 픽셀들로부터의 전기 신호 출력들이 동시에 수집되면, 하나 초과의 데이터 스트림이 하나의 검출기 어레이로부터 동시에 수신될 수 있다. 도 13은 4개의 통신 노드들(1300A, 1300B, 1300C, 및 1300D)이 서로 통신하도록 구성되는 멀티-빔 FSO 통신 시스템을 도시한다. 노드(1300A)는 이 예에서 동시에 다수의 노드들(1300B 및 1300C)로부터 빔들을 수신한다. 일반적으로, 임의의 수의 통신 노드들은 각각의 통신 노드가 임의의 다른 통신 노드로부터 데이터를 송신 및 수신하고 있을 수 있는 메시 네트워크에서 통신하도록 배열될 수 있다. 이 예에서, 각각의 통신 노드는 단일 송신기-측 포트를 갖지만, 동시에 검출기 어레이 상에서 검출될 수 있는 다수의 강도 패턴들에 대응하는 다수의 수신기-측 포트들을 갖는다. 따라서, 화살표들이 상이한 통신 노드들(원들로 표현됨) 사이의 FSO 링크를 통한 데이터의 송신을 표시하는, 도 14a 내지 도 14d에 도시된 바와 같은 다양한 메시 네트워크 구성들이 가능하다. 다른 예들에서, 각각의 통신 노드는, 예를 들어, 잠재적으로 더 복잡하고 유연한 메시 네트워크 구성들로 이어지는, 다수의 송신기-측 애퍼처들로부터 다수의 빔들을 송신함으로써 다수의 송신기-측 포트들을 포함할 수 있다.If electrical signal outputs from multiple individual pixels are collected simultaneously, more than one data stream may be received simultaneously from one detector array. Figure 13 shows a multi-beam FSO communication system in which four communication nodes 1300A, 1300B, 1300C, and 1300D are configured to communicate with each other. Node 1300A receives beams from multiple nodes 1300B and 1300C simultaneously in this example. In general, any number of communication nodes can be arranged to communicate in a mesh network where each communication node can be transmitting and receiving data from any other communication node. In this example, each communication node has a single transmitter-side port, but simultaneously has multiple receiver-side ports corresponding to multiple intensity patterns that can be detected on the detector array. Accordingly, various mesh network configurations are possible, as shown in Figures 14A-14D, where arrows indicate transmission of data over the FSO link between different communication nodes (represented by circles). In other examples, each communication node includes multiple transmitter-side ports, for example, by transmitting multiple beams from multiple transmitter-side apertures, potentially leading to more complex and flexible mesh network configurations. can do.

본 명세서에 설명된 FSO 링크들을 사용하는 통신 시스템의 일부 구현들에 포함될 수 있는 다른 가능한 특징들은 이진 비트들을 이용한 강도 변조 이외의 변조 기술들을 포함한다. 예를 들어, 수신기 회로가 선형 증폭기들 및 비이진(nonbinary) 결정 회로들을 포함하는 경우, PAM4 또는 고차 진폭 변조를 이용하여 더 많은 정보를 전송하는 것이 가능하다. 또한, 코히어런트 로컬 오실레이터(LO; local oscillator)(예를 들어, 레이저로부터의 광)가 이용되는 경우, 위상 변조와 함께 코히어런트 검출을 사용하는 것이 가능하다. 코히어런트 검출 기법을 이용하는 것은 수신기 회로를 복잡하게 할 수 있지만, 매우 적은 광자들이 수신기에 도달할 수 있는 장거리 통신 링크들에 대한 시스템의 감도를 또한 상당히 높일 수 있다. 도 15a는 수신기-측 렌즈(1502)가 입사 광을 검출기 어레이(1504) 상에 포커싱하고 LO 레이저(1506) 및 렌즈(1508)가 검출기 어레이(1504)를 균일하게 조명하기 위해 사용되는, 균일 조명 구성(1500A)의 일례를 도시한다. 일부 구현들에서, 초기 균일 조명 구성(1500A)은 빔으로부터의 신호를 위치파악하기 위해 초기에 사용되고, 그 후 지향된 조명 구성(1500B)은 검출기 어레이(1504)의 일부로 더 엄격하게 포커싱되고 스티어링된 LO 빔과 함께 사용된다. 예를 들어, LO 제어 시스템(1510)은 LO 스폿 크기를 제어하고 LO 빔을 동적으로 스티어링하기 위해 빠른 피드백 루프를 포함할 수 있다. LO 레이저(1506)는 원격 노드에서 송신 레이저로 로킹될(locked) 수 있고, 하이브리드 수신 회로는 변조된 광의 위상을 추출할 수 있다. 도 16은 다수의 수신된 빔들로부터의 광을 검출기 어레이(1604) 상으로 포커싱하기 위해 수신기-측 렌즈(1602)를 포함하는 예시적인 코히어런트 검출 구성(1600)을 도시한다. 이 예에서는, 2개의 상이한 수신된 빔들 각각과 동시에 간섭하기 위한 별개의 코히어런트 LO 빔을 제공하기 위해 다수의 LO 소스들(1606A 및 1606B)이 있다. 이러한 방식으로, 임의의 수의 독립적인 LO 소스들이 멀티-채널 수신기를 구현하기 위해 사용될 수 있다.Other possible features that may be included in some implementations of a communication system using FSO links described herein include modulation techniques other than intensity modulation using binary bits. For example, if the receiver circuit includes linear amplifiers and nonbinary decision circuits, it is possible to transmit more information using PAM4 or higher-order amplitude modulation. Additionally, if a coherent local oscillator (LO) (e.g. light from a laser) is used, it is possible to use coherent detection with phase modulation. Using coherent detection techniques can complicate the receiver circuitry, but can also significantly increase the sensitivity of the system for long-distance communication links where very few photons can reach the receiver. 15A illustrates a uniform illumination system in which a receiver-side lens 1502 focuses incident light onto a detector array 1504 and an LO laser 1506 and lens 1508 are used to uniformly illuminate the detector array 1504. An example of configuration 1500A is shown. In some implementations, an initial uniform illumination configuration 1500A is initially used to localize the signal from the beam, and then a directed illumination configuration 1500B is used to more tightly focus and steer the signal as part of the detector array 1504. Used with LO beam. For example, LO control system 1510 can include a fast feedback loop to control LO spot size and dynamically steer the LO beam. The LO laser 1506 can be locked to the transmit laser at the remote node, and the hybrid receive circuit can extract the phase of the modulated light. FIG. 16 shows an example coherent detection configuration 1600 that includes a receiver-side lens 1602 to focus light from multiple received beams onto a detector array 1604. In this example, there are multiple LO sources 1606A and 1606B to provide a separate coherent LO beam to simultaneously interfere with each of two different received beams. In this way, any number of independent LO sources can be used to implement a multi-channel receiver.

도 17은 멀티-채널 코히어런트 FSO 통신 시스템(1700)의 예시적인 구성을 도시한다. Tx 레이저 1을 포함하는 노드(1702) 및 Tx 레이저 2를 포함하는 노드(1704)가 있고, 이들은 각각의 데이터 스트림들(데이터 1 및 데이터 2)로 변조된 광학 파들을 제공한다. 이러한 광학 파들은 대기(1706)를 통해 전파하는 별개의 광학 빔들로서 방출되며 노드(1708)에 의해 수신된다. 이 예에서, 광 수집은 다수의 검출기 모듈들의 어레이 내의 2개의 검출기 모듈들에 대해 도시된다. 레이저 LO1 및 레이저 LO2는 코히어런트하게 검출된 신호의 동상 및 직교-위상(I/Q) 성분들의 검출을 위해 개별 검출기 모듈들로 지향되는 별개의 LO 빔들을 제공하고, 이는 데이터 스트림들(데이터 1 및 데이터 2)을 복조하기 위한 디지털 신호 처리(DSP; digital signal processing) 회로부에 제공된다.Figure 17 shows an example configuration of a multi-channel coherent FSO communication system 1700. There is a node 1702 containing Tx Laser 1 and a node 1704 containing Tx Laser 2, which provide modulated optical waves with respective data streams (Data 1 and Data 2). These optical waves are emitted as separate optical beams that propagate through the atmosphere 1706 and are received by node 1708. In this example, light collection is shown for two detector modules in an array of multiple detector modules. Laser LO1 and laser LO2 provide separate LO beams directed to individual detector modules for detection of the in-phase and quadrature-phase (I/Q) components of the coherently detected signal, which generates data streams. It is provided to a digital signal processing (DSP) circuit for demodulating 1 and data 2).

시스템 내에 비교적 많은 수의 검출기 모듈들이 있는 구현들에서, 잠재적으로 약한 신호들에서 과도한 잡음, 기생들, 및/또는 손실을 유도하지 않고서, 수신된 데이터 스트림들을 처리하고 입사 데이터를 판독할 수 있는 것이 유용하다. 도 18은 각각의 검출기 모듈에 대한 트랜스임피던스 증폭기(TIA; transimpedance amplifier)를 제공하는 집적 SiGe BiCMOS 플랫폼 상의 판독 회로부를 각각 포함하는 검출기 모듈들의 검출기 어레이(1806)의 전방에 배열된 수신기-측 렌즈(1802) 및 마이크로렌즈 어레이(1804)를 포함하는 검출 배열(1800)의 일례를 도시한다. TIA가 대응하는 애벌란시 광다이오드(APD; avalanche photodiode) 광검출기 바로 아래에 배치될 때, APD는 (예를 들어, 약 10 내지 1000 사이의) 초기 이득을 제공하고 결과적인 광전류를 TIA 이득 스테이지에 공급할 수 있다. TIA 전력 소비는 비교적 낮다(예를 들어, 1㎂ 내지 0.8Vpp의 TIA 증폭을 위해 픽셀당 약 1㎽ 미만). 데이터 레이트(rate)에 적합한 대역폭을 갖는 저잡음 TIA는 저잡음 증폭기(예를 들어, 약 3㎀/

Figure 112022049978869-pct00001
미만의 잡음)에 의해 증폭되고, 제한 증폭기에 공급되고, 디지털화될 수 있는 전압 신호 출력을 제공할 수 있다. 도 19는 판독 회로(1900)의 하나의 가능한 구현을 도시한다. 도 20은 개별 픽셀에 대한 예시적인 치수들을 갖는 예시적인 검출기 모듈(2000)을 도시한다. 약 36 내지 75㎛ 직경의 활성 영역을 갖는 APD가 존재한다. 약 50 내지 200㎛ 직경의 영역을 갖는 APD 주위의 관련된 회로부의 배열이 존재한다. 약 4㎠의 전체 검출기 영역 내의 픽셀들의 총 수는, 예를 들어, 약 10,000 내지 160,000일 수 있거나, 수백만 개의 픽셀들이 존재할 수 있는 더 큰 검출기 영역을 갖는다.In implementations where there is a relatively large number of detector modules in the system, it is desirable to be able to process the received data streams and read out the incident data without introducing excessive noise, parasitics, and/or loss in potentially weak signals. useful. 18 shows a receiver-side lens arranged in front of a detector array 1806 of detector modules each including readout circuitry on an integrated SiGe BiCMOS platform providing a transimpedance amplifier (TIA) for each detector module. 1802) and a microlens array 1804. When a TIA is placed directly below a corresponding avalanche photodiode (APD) photodetector, the APD provides an initial gain (e.g., between about 10 and 1000) and directs the resulting photocurrent to the TIA gain stage. can be supplied. TIA power consumption is relatively low (e.g., less than about 1 mW per pixel for TIA amplification from 1 μA to 0.8 Vpp). A low-noise TIA with a bandwidth appropriate for the data rate can be used with a low-noise amplifier (e.g., about 3㎀/
Figure 112022049978869-pct00001
It can be amplified (less than noise), fed to a limiting amplifier, and provide a voltage signal output that can be digitized. 19 shows one possible implementation of readout circuit 1900. Figure 20 shows an example detector module 2000 with example dimensions for individual pixels. There are APDs with active regions of about 36 to 75 μm in diameter. There is an array of associated circuitry around the APD with an area approximately 50 to 200 μm in diameter. The total number of pixels within a total detector area of about 4 cm may be, for example, about 10,000 to 160,000, or with larger detector areas there may be millions of pixels.

일부 구현들에서, TIA들 및 주어진 APD에 대한 다른 지원 회로부는 전력을 절감하기 위해 턴 오프되거나 저전력(또는 "하이버네이션(hibernation)") 모드에 놓일 수 있다. 도 21은 검출기 모듈에 대한 회로부의 일례를 도시한다. 이 예에서, 광자 집적 회로(PIC; photonic integrated circuit) 상에 제조된 광다이오드들의 온 어레이(on array)의 하나의 픽셀을 표현하는 광다이오드(2100)(예를 들어, APD)가 있다. 예를 들어, 아날로그/믹싱된 신호 주문형 집적 회로(ASIC; application specific integrated circuit)로서 구현되는 신호 처리 회로부(2102)는 개별 픽셀들에 대한 픽셀 회로부(2104), 및 신호 유효 정보에 기초하여 선택된 픽셀들에 대한 수신된 데이터를 선택할 수 있는 제어기(2106)(예를 들어, 멀티플렉서 또는 다른 선택 회로부를 포함함)를 포함한다. 픽셀 회로부(2104)는 TIA, 제한 증폭기, 및 비트 에러들을 감소시키기 위한 신호 검출/자동 이득 제어 회로 모듈을 포함하며, 이들은 함께 데이터 신호의 검출을 가능하게 한다. 픽셀 회로부(2104) 및 제어기(2106)를 사용하여, 신호 처리 회로부(2102)는 광다이오드(2100)로부터의 광전류를 모니터링하도록 구성되고, 미리 결정된 스펙트럼 도메인(예를 들어, 예상된 변조된 데이터 신호에 대한 스펙트럼 도메인)에서의 전류가 미리 결정된 임계치를 초과하자마자 TIA 및 다른 회로부가 활성화될 수 있다. 이 선택적 활성화는 검출기 어레이의 전체 전력 소비 및 로컬 열 생성을 감소시킨다.In some implementations, TIAs and other support circuitry for a given APD can be turned off or placed in a low power (or “hibernation”) mode to save power. Figure 21 shows an example of circuitry for a detector module. In this example, there is a photodiode 2100 (e.g., APD) that represents one pixel of an on array of photodiodes fabricated on a photonic integrated circuit (PIC). For example, signal processing circuitry 2102, implemented as an analog/mixed signal application specific integrated circuit (ASIC), may include pixel circuitry 2104 for individual pixels, and a pixel selected based on signal validity information. and a controller 2106 (e.g., including a multiplexer or other selection circuitry) capable of selecting received data for processing. Pixel circuitry 2104 includes a TIA, limiting amplifier, and signal detection/automatic gain control circuit module to reduce bit errors, which together enable detection of a data signal. Using pixel circuitry 2104 and controller 2106, signal processing circuitry 2102 is configured to monitor the photocurrent from photodiode 2100 and generate an expected modulated data signal in a predetermined spectral domain (e.g., The TIA and other circuitry can be activated as soon as the current in the spectral domain) exceeds a predetermined threshold. This selective activation reduces the overall power consumption and local heat generation of the detector array.

일부 구현들에서, 증폭기들의 전자 어레이 및 다른 회로부는 잡음 및 커패시턴스를 감소시키기 위해 광검출기 어레이에 비교적 가깝게 배치된다. 도 22는 콤팩트한 구성으로 다양한 층들의 배열을 포함하는 검출기 어레이(2200)의 일례를 도시한다. APD 층(2202)은 입사 광을 수집하는 APD들을 포함한다. 중간 층(2204)은 TIA들, 이득 회로들, 및 디지타이저 회로들의 어레이를 포함한다. 중간 층(2204)은, 예를 들어, APD 층(2202)과 동일한 다이에 제조될 수 있거나 3D 집적(3D integration)을 사용하여 APD 층(2202)을 포함하는 다이에 연결될 수 있다. 후면 층(2206)은 추가적인 DSP 및 신호 조절 회로부를 포함하여, 각각의 픽셀이 신호 처리 능력들을 가질 수 있다. 후면 층(2206)의 하나 이상의 에지를 따르는 하나 이상의 I/O 칩(2208)은 특정 수신된 빔에 대응하는 픽셀들의 그룹으로부터 신호들을 수신하기 위해 사용된다. 일부 예들에서, 개별 요소들은 다수의 픽셀에 의해 공유될 수 있다. 예를 들어, 도 23은 각각의 마이크로렌즈에 대한 다수의 APD들이 존재하고, 각각의 APD는 그 자신의 TIA를 갖고, 다수의 이웃 TIA들에 대한 단일 DSP 요소가 존재하는 예시적인 검출기 어레이 배열(2300)을 도시한다. 각각의 픽셀이 동일한 세트의 요소들을 갖는 배열들을 포함하는, 다양한 다른 배열들이 또한 가능하다.In some implementations, the electronic array of amplifiers and other circuitry are placed relatively close to the photodetector array to reduce noise and capacitance. Figure 22 shows an example of a detector array 2200 comprising an arrangement of various layers in a compact configuration. APD layer 2202 includes APDs that collect incident light. Middle layer 2204 includes an array of TIAs, gain circuits, and digitizer circuits. Intermediate layer 2204 may be fabricated on the same die as APD layer 2202, for example, or may be connected to a die containing APD layer 2202 using 3D integration. The back layer 2206 includes additional DSP and signal conditioning circuitry so that each pixel can have signal processing capabilities. One or more I/O chips 2208 along one or more edges of the back layer 2206 are used to receive signals from a group of pixels corresponding to a particular received beam. In some examples, individual elements may be shared by multiple pixels. For example, Figure 23 shows an example detector array arrangement where there are multiple APDs for each microlens, each APD having its own TIA, and a single DSP element for multiple neighboring TIAs ( 2300). Various other arrangements are also possible, including arrangements where each pixel has the same set of elements.

도 24는 3개의 상이한 빔들이 검출기 어레이(2400)에 의해 수신되는 일례를 도시한다. 대기 효과들, 수신기-측 및/또는 송신기-측 광학 요소들을 지지하는 플랫폼의 진동들, 및/또는 (비행기와 통신하는 드론 또는 2개의 위성들 사이의 전기통신과 같은) 노드들의 상대적 이동으로 인해, 검출기 어레이(2400) 상의 초점 스폿들이 이동할 수 있다. 주어진 기간에 걸친 초점 스폿들의 이동을 위한 결과적인 강도 패턴들이 도 24에 도시되어 있다. 예를 들어, 플랫폼이 더 빨리 이동할수록, 빔의 초점 스폿이 상이한 픽셀들 위에서 더 빨리 이동한다. 따라서, 공백(lapse) 없이 연속적인 데이터 송신을 달성하기 위하여, 데이터를 수집하는 데 책임이 있는 픽셀 또는 픽셀들은 초점 스폿이 이동함에 따라 원활하게(seamlessly) 전송되어야 한다. 이것은 충분히 높은 신호를 수신하고 있는 픽셀들을 검출하고 초점 스폿의 이동을 추적할 수 있는 빠른 피드백 루프로 구성된 회로를 이용하여 달성될 수 있다. 일부 구현들에서, 회로는 또한 데이터를 수집하기 위해 준비되어야 하는 다음 픽셀들을 예측하도록 구성된다. 이것은, 예를 들어, 아날로그 이득 회로부의 적절한 제어에 의해 구현될 수 있고, 디지털 층 내의 회로부는 상이한 추적된 빔들과 연관된 데이터를 스트리밍하기 위한 I/O 포트들(2402)에 커플링된 I/O 어레이의 처리량을 제어하도록 구성된다.Figure 24 shows an example where three different beams are received by detector array 2400. Due to atmospheric effects, vibrations of the platform supporting the receiver-side and/or transmitter-side optical elements, and/or relative movement of nodes (such as a drone communicating with an airplane or telecommunications between two satellites). , the focus spots on detector array 2400 may move. The resulting intensity patterns for movement of focus spots over a given period of time are shown in Figure 24. For example, the faster the platform moves, the faster the focus spot of the beam moves over different pixels. Therefore, to achieve continuous data transmission without lapses, the pixel or pixels responsible for collecting data must be transmitted seamlessly as the focus spot moves. This can be achieved using a circuit consisting of a fast feedback loop that can detect pixels that are receiving a sufficiently high signal and track the movement of the focus spot. In some implementations, the circuitry is also configured to predict the next pixels that should be ready to collect data. This can be implemented, for example, by appropriate control of analog gain circuitry and circuitry in the digital layer coupled to I/O ports 2402 for streaming data associated with different tracked beams. Configured to control the throughput of the array.

주어진 로컬 노드와 관련된 자유-공간 TX/RX 유닛(2500), 및 원격 노드와 관련된 피어 TX/RX 유닛(2502)을 포함하는 FSO 통신 시스템의 일례가 도 25에 도시되어 있다. 최적의 신호 품질을 달성하기 위해, 최상의 신호 대 잡음비 및 비트 에러 레이트를 위한 최적의 방향으로 로킹(locking)하는 것이 유익하다. 따라서, 2개의 노드들에서의 수신기 및 송신기의 광학 패키지들은 서로를 향해 포인팅될 수 있고, 이상적으로는 최상의 송신 방향 및 수신을 위한 최상의 픽셀 선택을 획득하기 위한 피드백 메커니즘을 가질 수 있다. 이것은 수신기 시스템이 전력 모니터 회로부 및 잠재적으로 에러 모니터링 DSP 회로부를 갖는 경우에 행해질 수 있다. 순방향 에러 정정(FEC; forward error correction)과 같은 에러 정정 코딩이 이용되는 경우, 송신 데이터 스트림 내의 비트들 중 일부는 에러 비트들을 검출하기 위해 이용된다. 수신기 시스템은 시간에 걸쳐 에러들의 양을 모니터링하고 그 시작 각도를 정정할 수 있다. 송신기 시스템은 또한, 예를 들어, 전술한 바와 같이, 초기 정렬의 대략적인 정렬 및 미세한 정렬 위상들, 및 동적 정렬을 이용하여, 원격 노드의 검출기 어레이 상의 빔 포지셔닝을 최적화하기 위해 그 피드백에 기초하여 송신된 빔을 스티어링하도록 원격 노드로부터 (예를 들어, 사이드-채널 링크를 통해) 강도 정보를 수신할 수 있다.An example of an FSO communication system is shown in FIG. 25, including a free-space TX/RX unit 2500 associated with a given local node, and a peer TX/RX unit 2502 associated with a remote node. To achieve optimal signal quality, it is advantageous to lock in the optimal direction for the best signal-to-noise ratio and bit error rate. Accordingly, the optical packages of the receiver and transmitter at the two nodes can be pointed towards each other, ideally with a feedback mechanism to obtain the best transmission direction and best pixel selection for reception. This can be done if the receiver system has power monitor circuitry and potentially error monitoring DSP circuitry. When error correction coding, such as forward error correction (FEC), is used, some of the bits in the transmitted data stream are used to detect error bits. The receiver system can monitor the amount of errors over time and correct their onset angle. The transmitter system may also use the coarse alignment and fine alignment phases of the initial alignment, and dynamic alignment, for example, as described above, based on that feedback to optimize beam positioning on the remote node's detector array. Strength information may be received from a remote node (e.g., via a side-channel link) to steer the transmitted beam.

도 26은 이러한 정렬 기법들이 또한 제1 광을 검출하는 데 어떻게 사용될 수 있는지를 나타낸 것이다. FSO 링크가 설정되기 전에, 송신기 및 수신기 둘 다는 가시선 링크를 설정하는 데 도움을 주는 방향을 탐색할 수 있다. 예를 들어, 2개의 노드들이 대략적인 정렬을 설정하는 데 도움을 줄 수 있는, 망원경, GPS 위치, 미리 결정된 위치 협약들, 및/또는 임시 광학 역반사기로 대략적인 정렬이 수행될 수 있다.Figure 26 shows how these alignment techniques can also be used to detect the first light. Before the FSO link is established, both the transmitter and receiver can seek directions to help establish a line-of-sight link. For example, coarse alignment can be performed with a telescope, a GPS location, predetermined position conventions, and/or a temporary optical retroreflector, which can help two nodes establish the coarse alignment.

도 27a 및 도 27b를 참조하면, 송신기가 빔 스티어러로서 광학 위상 어레이(2700)를 사용하고, 수신기-측 렌즈(2702)가 조정 가능한 경우, 빔 발산 및 관측 시야는 제1 광을 찾는 것을 돕기 위해 검출기 어레이(2704) 상의 넓은 각도 범위(도 27a)로 초기에 설정될 수 있고, 그 후 최적의 데이터 송신을 위해 좁혀진 각도 범위(도 27b)로 포커싱될 수 있다.27A and 27B, if the transmitter uses an optical phased array 2700 as a beam steerer and the receiver-side lens 2702 is adjustable, the beam divergence and field of view help locate the first light. It can be initially set to a wide angular range on detector array 2704 (Figure 27A) and then focused to a narrowed angular range (Figure 27B) for optimal data transmission.

본 개시내용이 특정 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 개시내용은 개시된 실시예들로 제한되는 것이 아니라, 반대로, 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함되는 다양한 수정들 및 등가의 배열들을 커버하도록 의도되며, 그 범위는 법률 하에서 허용되는 바와 같은 모든 그러한 수정들 및 등가의 구조들을 포함하도록 가장 넓은 해석을 부여받아야 한다는 점이 이해되어야 한다.Although the disclosure has been described with respect to specific embodiments, the disclosure is not intended to be limited to the disclosed embodiments, but rather to cover various modifications and equivalent arrangements included within the scope of the appended claims. , it should be understood that its scope is to be given the broadest interpretation to include all such modifications and equivalent structures as permitted under the law.

Claims (20)

원격 노드와의 광학 통신을 위한 장치로서,
상기 원격 노드로부터 적어도 하나의 광학 빔의 적어도 일부분을 수신하도록 구성되는 수신기 모듈, 및
적어도 하나의 광학 빔을 상기 원격 노드로 송신하도록 구성되는 송신기 모듈
을 포함하고,
상기 수신기 모듈은:
광학 검출기 모듈들의 적어도 하나의 어레이;
(1) 상기 광학 검출기 모듈들의 어레이 - 상기 광학 검출기 모듈들의 어레이는 렌즈의 초점 평면과 정확히 일치하지 않음 -, 또는 (2) 상기 광학 검출기 모듈들의 어레이에 근접한 마이크로렌즈 어레이 - 상기 마이크로렌즈 어레이는 렌즈의 초점 평면과 정확히 일치하지 않음 - 에 근접하게 광을 포커싱하도록 구성되는 적어도 하나의 상기 렌즈; 및
상기 광학 검출기 모듈들을 제어하고, 상기 광학 검출기 모듈들 중 하나 이상으로부터의 하나 이상의 신호에 기초하여 강도 정보를 제공하도록 구성되는 회로부를 포함하고,
상기 송신기 모듈은:
상기 원격 노드로 송신되는 상기 광학 빔을 제공하는 적어도 하나의 광학 위상 어레이; 및
상기 원격 노드로부터 강도 정보를 수신하고, 상기 원격 노드로부터 수신된 상기 강도 정보에 기초하여 상기 원격 노드로 송신된 상기 광학 빔을 스티어링하도록 상기 광학 위상 어레이를 제어하도록 구성되는 회로부
를 포함하는, 장치.
A device for optical communication with a remote node, comprising:
a receiver module configured to receive at least a portion of at least one optical beam from the remote node, and
A transmitter module configured to transmit at least one optical beam to the remote node.
Including,
The receiver module:
at least one array of optical detector modules;
(1) an array of optical detector modules, wherein the array of optical detector modules does not exactly coincide with the focal plane of a lens, or (2) a microlens array proximate to the array of optical detector modules, wherein the microlens array is a lens not exactly aligned with the focal plane of - at least one said lens configured to focus light proximate to; and
comprising circuitry configured to control the optical detector modules and provide intensity information based on one or more signals from one or more of the optical detector modules;
The transmitter module:
at least one optical phased array providing the optical beam to be transmitted to the remote node; and
Circuitry configured to receive intensity information from the remote node and control the optical phased array to steer the optical beam transmitted to the remote node based on the intensity information received from the remote node.
Device, including.
제1항에 있어서, 상기 광학 검출기 모듈들의 어레이는 각각의 광전류를 대응하는 증폭기에 각각 제공하는 광다이오드들의 2차원 어레이를 포함하는, 장치.2. The device of claim 1, wherein the array of optical detector modules comprises a two-dimensional array of photodiodes each providing a respective photocurrent to a corresponding amplifier. 제2항에 있어서, 상기 광다이오드들은 애벌란시 광다이오드들을 포함하고, 상기 증폭기들은 트랜스임피던스 증폭기들을 포함하는, 장치.3. The device of claim 2, wherein the photodiodes include avalanche photodiodes and the amplifiers include transimpedance amplifiers. 제2항에 있어서, 상기 수신기 모듈의 상기 회로부는, 상기 대응하는 증폭기에서의 상기 광전류를 임계값과 비교하는 것에 적어도 부분적으로 기초하여 파워 온되는 모든 상기 증폭기들보다 적은 수의 증폭기들의 부분집합을 결정하도록 구성되는, 장치.3. The method of claim 2, wherein the circuitry of the receiver module configures a subset of amplifiers that are less than all of the amplifiers to be powered on based at least in part on comparing the photocurrent in the corresponding amplifier to a threshold. A device configured to make a decision. 제2항에 있어서, 상기 수신기 모듈의 상기 회로부는 상기 광학 빔의 적어도 일부분을 수신하고 있는 상기 광다이오드들의 제1 부분집합, 및 다른 광학 빔의 적어도 일부분을 수신하고 있는 상기 광다이오드들의 제2 부분집합을 결정하도록 구성되는, 장치.3. The method of claim 2, wherein the circuitry of the receiver module comprises: a first subset of the photodiodes receiving at least a portion of the optical beam, and a second portion of the photodiodes receiving at least a portion of the other optical beam. A device configured to determine a set. 제1항에 있어서, 상기 수신기 모듈은 상기 광학 빔을 코히어런트하게 수신하기 위한 코히어런트 로컬 오실레이터 빔을 제공하는 광원을 더 포함하는, 장치.The apparatus of claim 1, wherein the receiver module further comprises a light source providing a coherent local oscillator beam for coherently receiving the optical beam. 제6항에 있어서, 상기 광원은 다수의 코히어런트 로컬 오실레이터 빔들을 제공하고, 상기 다수의 코히어런트 로컬 오실레이터 빔들은 다수의 광학 빔들을 동시에 코히어런트하게 수신하기 위한 것인, 장치.7. The apparatus of claim 6, wherein the light source provides multiple coherent local oscillator beams, the multiple coherent local oscillator beams for coherently receiving multiple optical beams simultaneously. 제1항에 있어서, 상기 원격 노드로부터의 상기 강도 정보는, 적어도 자유 공간 광학 통신 링크의 셋업 동안, 상기 원격 노드와의 상기 자유 공간 광학 통신 링크로부터 분리된 사이드-채널 네트워크를 통해, 상기 송신기 모듈의 상기 회로부에 의해 수신되는, 장치.2. The transmitter module of claim 1, wherein the intensity information from the remote node is transmitted, at least during setup of the free space optical communication link, via a side-channel network separate from the free space optical communication link with the remote node. Received by the circuitry of the device. 제8항에 있어서, 상기 원격 노드로부터의 추가적인 강도 정보는 상기 자유 공간 광학 통신 링크의 셋업 이후에 상기 자유 공간 광학 통신 링크를 통해 상기 광학 위상 어레이를 제어하기 위해 상기 송신기 모듈의 상기 회로부에 의해 수신되는, 장치.9. The method of claim 8, wherein additional intensity information from the remote node is received by the circuitry of the transmitter module to control the optical phased array via the free space optical communication link after setup of the free space optical communication link. used device. 제1항에 있어서, 상기 수신기 모듈은 상기 마이크로렌즈 어레이를 포함하는, 장치.The device of claim 1, wherein the receiver module includes the microlens array. 제10항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이와 상기 렌즈 사이의 거리는 상기 렌즈의 초점 거리보다 적어도 5%만큼 더 크거나 더 작은, 장치.11. The device of claim 10, wherein the distance between the microlens array and the lens is at least 5% greater or less than the focal length of the lens. 제1항에 있어서, 상기 수신기 모듈은 상기 광학 검출기 모듈들의 어레이에 근접하게 광을 포커싱하도록 구성되는 상기 적어도 하나의 렌즈를 포함하는, 장치.The apparatus of claim 1 , wherein the receiver module includes the at least one lens configured to focus light proximate the array of optical detector modules. 제12항에 있어서, 상기 광학 검출기 모듈들의 어레이와 상기 렌즈 사이의 거리는 상기 렌즈의 초점 거리보다 적어도 5%만큼 더 크거나 더 작은, 장치.13. The device of claim 12, wherein the distance between the array of optical detector modules and the lens is at least 5% greater or less than the focal length of the lens. 제1항에 있어서, 상기 광학 검출기 모듈들의 어레이는 광자 집적 회로 내의 광검출기들의 어레이를 포함하는, 장치.The device of claim 1 , wherein the array of optical detector modules comprises an array of photodetectors within a photonic integrated circuit. 제1항에 있어서, 상기 광학 위상 어레이는 각각의 광학 위상 시프터에 각각 커플링되는 광학 방출기들의 2차원 어레이를 포함하고, 상기 광학 위상 시프터들에 인가되는 각각의 위상 시프트 신호들은 적어도 제1 평면 내에서 상기 원격 노드로 송신되는 상기 광학 빔의 전파 축의 스티어링을 제어하는, 장치.2. The method of claim 1, wherein the optical phased array comprises a two-dimensional array of optical emitters each coupled to a respective optical phase shifter, and wherein each phase shift signal applied to the optical phase shifters is at least in a first plane. Controlling the steering of the propagation axis of the optical beam transmitted to the remote node. 제15항에 있어서, 상기 광학 위상 시프터들에 인가되는 각각의 위상 시프트 신호들은 상기 제1 평면에 수직인 제2 평면 내에서 상기 원격 노드로 송신되는 상기 광학 빔의 상기 전파 축의 스티어링을 제어하는, 장치.16. The method of claim 15, wherein each phase shift signal applied to the optical phase shifters controls steering of the propagation axis of the optical beam transmitted to the remote node in a second plane perpendicular to the first plane. Device. 제15항에 있어서, 상기 광학 방출기들로부터 방출된 광학 파들의 파장 튜닝은 상기 제1 평면에 수직인 제2 평면 내에서 상기 원격 노드로 송신되는 상기 광학 빔의 상기 전파 축의 스티어링을 제어하는, 장치.16. The apparatus of claim 15, wherein wavelength tuning of optical waves emitted from the optical emitters controls steering of the propagation axis of the optical beam transmitted to the remote node in a second plane perpendicular to the first plane. . 원격 노드와의 광학 통신을 위한 방법으로서,
적어도 하나의 광학 빔을 상기 원격 노드로 송신하는 단계;
상기 원격 노드로부터 적어도 하나의 광학 빔의 적어도 일부분을 수신하는 단계;
상기 원격 노드로부터 수신된 상기 광학 빔의 상기 일부분을 검출하는 광학 검출기 모듈들의 어레이 내의 하나 이상의 광학 검출기 모듈로부터의 하나 이상의 신호에 기초하여 강도 정보를 제공하는 단계;
(1) 상기 광학 검출기 모듈들의 어레이 - 상기 광학 검출기 모듈들의 어레이는 렌즈의 초점 평면과 정확히 일치하지 않음 -, 또는 (2) 상기 광학 검출기 모듈들의 어레이에 근접한 마이크로렌즈 어레이 - 상기 마이크로렌즈 어레이는 렌즈의 초점 평면과 정확히 일치하지 않음 - 에 근접하게 상기 렌즈로 광을 포커싱하는 단계; 및
상기 원격 노드로부터 수신된 강도 정보에 기초하여 상기 원격 노드로 송신된 상기 광학 빔을 스티어링하도록 적어도 하나의 광학 위상 어레이를 제어하는 단계
를 포함하는, 방법.
A method for optical communication with a remote node, comprising:
transmitting at least one optical beam to the remote node;
receiving at least a portion of at least one optical beam from the remote node;
providing intensity information based on one or more signals from one or more optical detector modules in an array of optical detector modules that detect the portion of the optical beam received from the remote node;
(1) an array of optical detector modules, wherein the array of optical detector modules does not exactly coincide with the focal plane of a lens, or (2) a microlens array proximate to the array of optical detector modules, wherein the microlens array is a lens focusing light with said lens in close proximity to - not exactly aligned with the focal plane of; and
Controlling at least one optical phased array to steer the optical beam transmitted to the remote node based on intensity information received from the remote node.
Method, including.
제18항에 있어서, 상기 원격 노드로부터의 상기 강도 정보는 적어도 자유 공간 광학 통신 링크의 셋업 동안, 상기 원격 노드와의 상기 자유 공간 광학 통신 링크로부터 분리된 사이드-채널 네트워크를 통해, 송신기 모듈의 회로부에 의해 수신되는, 방법.19. The method of claim 18, wherein the intensity information from the remote node is transmitted to circuitry of a transmitter module, at least during setup of the free space optical communication link, via a side-channel network separate from the free space optical communication link with the remote node. Received by, method. 원격 노드와의 광학 통신을 위한 장치로서,
상기 원격 노드로부터 적어도 하나의 광학 빔의 적어도 일부분을 수신하도록 구성되는 수신기 모듈, 및
적어도 하나의 광학 빔을 상기 원격 노드로 송신하도록 구성되는 송신기 모듈
을 포함하고,
상기 수신기 모듈은:
광학 검출기 모듈들의 적어도 하나의 어레이;
상기 광학 검출기 모듈들의 어레이에 근접한 마이크로렌즈 어레이;
상기 마이크로렌즈 어레이에 근접하게 광을 포커싱하도록 구성되는 적어도 하나의 렌즈; 및
상기 광학 검출기 모듈들을 제어하고, 상기 광학 검출기 모듈들 중 하나 이상으로부터의 하나 이상의 신호에 기초하여 강도 정보를 제공하도록 구성되는 회로부를 포함하고,
상기 송신기 모듈은:
상기 원격 노드로 송신되는 상기 광학 빔을 제공하는 적어도 하나의 광학 위상 어레이; 및
상기 원격 노드로부터 강도 정보를 수신하고, 상기 원격 노드로부터 수신된 상기 강도 정보에 기초하여 상기 원격 노드로 송신된 상기 광학 빔을 스티어링하도록 상기 광학 위상 어레이를 제어하도록 구성되는 회로부를 포함하는, 장치.
A device for optical communication with a remote node, comprising:
a receiver module configured to receive at least a portion of at least one optical beam from the remote node, and
A transmitter module configured to transmit at least one optical beam to the remote node.
Including,
The receiver module:
at least one array of optical detector modules;
a microlens array proximate the array of optical detector modules;
at least one lens configured to focus light proximate to the microlens array; and
comprising circuitry configured to control the optical detector modules and provide intensity information based on one or more signals from one or more of the optical detector modules;
The transmitter module:
at least one optical phased array providing the optical beam to be transmitted to the remote node; and
An apparatus comprising circuitry configured to receive intensity information from the remote node and control the optical phased array to steer the optical beam transmitted to the remote node based on the intensity information received from the remote node.
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